Merenja u hidrotehnici

Dusan Prodanovi\'c

1 (2) Uvod
    1.1 Merenja - definicija
    1.2 Zasto meriti u hidrotehnici?
    1.3 Osnovne grupe merenja
    1.4 Pitanja na koja treba odgovoriti pre nego sto se krene u merenja

List of Figures

    1.1 Ostroivicni preliv
    1.2 Ostroivicni preliv - prilazni uslovi
    1.3 Interakcija merenja i numericke simulacije

Chapter 1
Uvod

1.1 Merenja - definicija

Izmeriti neku velicinu znaci uporediti je sa istovrsnom velicinom uzetom za jedinicu mere (Definicija iz knjige za fiziku za sesti razred osnovne skole)

A sta je velicina?

Velicina je ono sto se moze izmeriti, pa merenjem velicina dobija vrednost.

... `Potpuni ludak. Mislio je da sve moze da se izmeri. Ne samo duzine, tezine i slicne stvari, ve\'c sve. "Ako postoji", govorio je, "onda bi trebalo da moze da se izmeri." ' Ridkalijeve oci zamaglise se u se\'canjima. `Svakojake je naprave taj izmisljao. Mislio je da mozes da izmeris istinu, lepotu, snove i slicno. Znaci ovo je jedna od Riktorovih igracki, je li? Pitam se samo sta je merila?' ... (strana 84)

... Proceprkao je po gomili papira. Jedna rec upade mu u oko. Svarnost. Bacio je pogled na rukopis koji se sirio stranicama. Bio je veoma sitan, necitak i nekako oprezan. ... Slede\'ca rec bila je: Merenje. Pogled mu kliznu navise i ugleda podvuceni naslov: Neke opaske o objektivnom merenju stvarnosti. ... (strana 150/151)

(Iz knjige: Pokretne slike, Teri Pracet 1990. - Terry Pratchett, Moving Pictures)

Da bi izmerili neku velicinu, potreban je standard, alat kojim se uporedjujemo sa standardom, nacin da se rezultat zapise i sam izvrsilac merenja:

Standardi
1. Etaloni
  - primarni
  - sekundarni
  - radni
2. Klasa tacnosti
3. Savezni zavod
Alati
1. merni uredjaji, senzori
2. direktno merenje - dubina vode metrom
3. posredno merenje - dubina vode preko vremena putovanja zvuka
4. mehanicko ili elektricno merenje - konverzija energije iz jednog u drugi vid
Zapisivanje rezultata
1. klasicno
2. logeri
Izvrsilac
1. obucen covek
2. automat
  - PLC (Programable Logic Controler)
  - SCADA (Supervisory Control and Data Acquistion System)

1.2 Zasto meriti u hidrotehnici?

Na pocetku poglavlja par pitanja o kojima treba razmisliti ...

Zasto se petljati sa merenjima?
Zar nemamo dovoljno problema i bez merenja?
Zar nije dovoljno samo posmatrati fenomen i zakljuciti na osnovu toga?
Da li je oko najbolji instrument?
Zar nije lakse izracunati modernim kompjuterima dubinu nego je meriti (posebno u fekalnoj kanalizaciji)?

Osnovne jednacine opisuju mirovanje i kretanje fluida. Na primer jednacina:

Q = C_Q

2gh⁵

(1.1)

daje protok na ostroivicnom Thompsonovom prelivu. Da li je koeficijenat protoka C_Q=[5/16], ili 0.581[8/15] ili ....

Figure 1.1: Ostroivicni preliv ../SlikePng/Uvod01.png

Ili drugi primer: Da li razmatranje koje vazi u linijskom (1D) problemu, gde vazi gore pomenuta jednacina protoka, moze da se primeni u uslovima prostornog 2D ili 3D toka?

Figure 1.2: Ostroivicni preliv - prilazni uslovi ../SlikePng/Uvod02.png

Ovo bi moglo strucno da se resava primenom Navier-Stokes-ove jednacine uz modeliranje turbulencije (CFD-Computational Fluid Dynamics), ali treba imati podatke o rasporedima brzina da bi se odredili pojedini parametri (viskoznost vrtloga, duzine mesanja ...). Medjutim, to je verovatno prejako oruzje za relativno prost slucaj.

U zavisnosti od vrste istrazivanja mogu se uociti slede\'ce grupe [20]:

Fundamentalna: koriste se osnovne jednacine odrzanja mase i kolicine kretanja (ili energije). Dobijaju se informacije o strukturi fizickog procesa. Primer: Merenja turbulencije pri zidu-mehanizam generisanja vrtloga i prenosa energije.
Primenjena opsta: upros\'cene opste jednacine prilagodjene konkretnim uslovima. Primer merenje brzine propagacije talasa pri hidraulickom udaru u cevi.
Primenjena lokalna: konturni uslovi jedinstveni, rezultati primenjivi samo za istovetan slucaj. Primer: Merenje Dp pri hidraulickom udaru u konkretnom sistemu, uz analizu metodom karakteristika.
Konkretna: koriste se cesto poluempirijski izrazi i dobijaju se resenja bez dovoljno opstosti. Primer:Dp=f(t_zat) pa se pri hidraulickom udaru za razna vremena t_zatvcrta dijagram i odredjuje neka zavisnost.

Istorijski gledano, uloga merenja u istrazivanjima se pomera od konkretnih ka fundamentalnim, zbog razvoja racunskih modela. Ranije je ve\'ci znacaj poklanjan fizickim modelima i postupcima vizuelizacije (odlican link sa dosta primera se moze naci na sajtu: KLIKNI link web.mit.edu/hml/ncfmf.html), a sada racunskim. Ali merenja treba da obezbede kalibraciju i verifikaciju numerickih modela. Trenutno su popularne metode koje spajaju vizuelizaciju i kompjutersku obradu video snimaka.

Figure 1.3: Interakcija merenja i numericke simulacije ../SlikePng/Uvod03.png

J.A.Cunge: Mada stvari nisu bas tako lepe u pravom zivotu - numericari tvrde da im merenja vise uopste nisu potrebna i obrnuto ....

Ako se posmatra zivotni vek nekog hidrotehnickog objekta i uloga merenja kroz vreme, mogu se razluciti slede\'ce faze:

Opsta predhodna razmatranja
1. Primenjena i fundamentalna eksperimentalna istrazivanja
2. Upoznavanje fizickih procesa
3. Verifikacija globalnih matematickih modela
Preliminarna istrazivanja i projektovanje
1. Merenje i analiza hidroloskih, meteoroloskih, hidrodinamickih, geoloskih i drugih podataka
Projektovanje
1. Fizicki modeli detalja koji ne mogu analiticki da se rese
2. Kalibracija i verifikacija matematickog modela
3. Uticaj objekta na okolinu
Izgradnja i eksperimenti tokom gradnje
1. Pra\'cenje realizacije i pouzdanosti izgradnje, ostvarenja pretpostavljenih uslova
2. Provera merne i regulacione opreme
Probni pogon Primer: Sabac - udar
1. Merenje ostvarenih karakteristika objekta i opreme
2. Provera rada u redovnim i vanrednim uslovima Primer: Oscilacije protoka na vodovodnom sistemu Tabanovi\'c - Sabac KLIKNI
Eksploatacija sistema Primer: Obrenovac B dotur vode
1. Merenja radi upravljanja Primer: Tabla sa instrumentima KLIKNIili SCADA na Grancarevu KLIKNI
2. Merenje radi provere tehnicke i ekonomske efikasnosti sistema (PI - Performance Indicators) Primer: Realna Q/H karakteristika pumpe koja radi u kavitacionom rezimu KLIKNI
3. Pra\'cenje uticaja na okolinu (ekoloski aspekt)
4. Pra\'cenje starenja sistema Primer: Pumpa za hidraulicki transport pepela na Obrenovcu A KLIKNI
Adaptacija i dogradnja Primer: Obrenovac A pepeliste
1. Merenja radi procene preduzetih mera (pre i posle preduzimanja mera!)
Prestanak koris\'cenja sistema
1. Utvrdjivanje finalnih karakteristika sistema

Stepen primene merenja u svakoj od faza zavisi od:

Velicine i vaznosti objekta
Tehnoloske seme
Ekonomskih cinilaca (vlasnistva)
Ali pre svega od stepena razvijene kulture merenja i znanja Primer: Instrument tabla!.

1.3 Osnovne grupe merenja

U nastavku \'ce se pricati o uredjajima kojima se obavljaju merenja (alati) najces\'cih hidrotehnickih velicina, uklapanje u hidrauliku objekta, kao i o nacinima zapisivanja i obrade. Sva ta merenja mogu se svrstati u slede\'ce osnovne grupe:

Laboratorijska istrazivanja
1. Ispitivanje fundamentalnih procesa
  1. Karakteristike fluktuacija brzina
  2. Transportni procesi u turbulentnim uslovima Primer: Institut za hidrotehniku GF, merenje transporta zagadjivaca u kanalu slozenog poprecnog preseka - Djordjevic KLIKNI
  3. Struktura optere\'cenja fluida u pokretu na cvrstu konturu koja je sa njom u kontaktu,
  4. ...
2. Primenjena ispitivanja za potrebe kalibracije i verifikacije matematickih dela
  1. Neustaljeno sporo promenljivo kretanje u ravanskim i linijskim tokovima Primer: Merenje protoka u kanalizaciji tokom susnog perioda KLIKNI
  2. Brzopromenljiva kretanja: hidraulicki udar, dinamicki strmi talas Primer: Imperial College, merenje pritiska u hidraulickom udaru KLIKNI
  3. Procesi u dvofaznim tokovima: voda + vazduh, voda + nafta
3. Primenjena istrazivanja za potrebe konkretnih objekata
  1. Propusna mo\'c delova i celog sistema
  2. Optere\'cenje na delove konstrukcije
  3. Vibracije i oscilacije
  4. Procesi erozije i zasipanja
Terenska istrazivanja
1. Redovna merenja radi pra\'cenja prirodnog bilansa - bitan je kontinuitet
  1. Hidroloska Primer: Prezentacija Nika KLIKNI za prezentaciju KLIKNI za helikopter
  2. Meteoroloska
  3. Kvalitet
2. Specijalna merenja - na zahtev
  1. Hidroloska - dodatna
  2. Metereoloska - dodatna
  3. Kvalitet - dodatna
  4. Esperimentalni poligon Primer: Miljakovac, merenje oticaja, prikaz opreme KLIKNI
Merenja na izvedenim objektima
1. Pra\'cenje rada objekta
  1. Brane i akumulacije
  2. Komunalni sistemi Primer: Vrbica, pucanje cevovoda KLIKNI
  3. Izvorista, vodozahvati, pumpe Primer: Preraspodela protoka na postrojenju za preradu vode Strand, Novi Sad KLIKNI
2. Dijagnosticka merenja Primer: Drop-down test - test naglog prazenjenja vodovodne mreze, preko hidranta (Becej) KLIKNI
Merenja radi upravljanja procesima
1. Hidroelektrane i akumulacije
2. Sistemi za precis\'cavanje
3. Sistemi za vodosnabdevanje
4. Drenazni i irigacioni sistemi
5. Plovni putevi
Merenja radi razvoja, kalibracije i provere mernih uredjaja
1. Razvoj novih senzora, mernih sistema
2. Ispitivanje nove laboratorijske opreme
3. Provera funkcionisanja nove opreme na terenu

U organizaciji merenja neophodan je timski rad inzinjera hidrotehnike (uklapanje u hidrauliku sistema), tehnologa (koji poznaje proces koji se analizira) i elektronicara (koji se brine o opremi).

Praksa da elektronicar sve vodi nije dobra! Hidrotehnicar je na kraju odgovoran za ceo objekat.

1.4 Pitanja na koja treba odgovoriti pre nego sto se krene u merenja

Koju velicinu meriti?
Gde?
Koliko dugo i koliko cesto?
Kojom metodom meriti?
Koja je potrebna tacnost, a koju mozemo post\'ci?
Kako zapisivati podatke, obradjivati, cuvati i kasnije koristiti?
Koliko \'ce sve to da kosta?
Da li vredi novaca i resursa koji se ulazu?
Da li mogu podaci da se koriste i za druge svrhe?

Vazno: Nigde nemam tekst o mernim jedinicama i prefiksima!!! Uzmi deo iz knjige Mehanika fluida. Stavi obavezno i prefikse:

Table 1.1: SI prefiksi

Factor	Name	Symbol	Factor	Name	Symbol
10²⁴	yotta	Y	10^-1	deci	d
10²¹	zetta	Z	10^-2	centi	c
10¹⁸	exa	E	10^-3	milli	m
10¹⁵	peta	P	10^-6	micro	m
10¹²	tera	T	10^-9	nano	n
10⁹	giga	G	10^-12	pico	p
10⁶	mega	M	10^-15	femto	f
10³	kilo	k	10^-18	atto	a
10²	hecto	h	10^-21	zepto	z
10¹	deka	da	10^-24	yocto	y

Bibliography

[1]: Ackers, P., W.R. White, J.A. Perkins i A.J.M. Harrison. (1978). Weirs and Flumes for Flow Measurement. John Wiley & Sons. Chichester.
[2]: Baker, R. C (2000). Flow measurement handbook: industrial designs, operating principles, performance, and applications. Cambridge University Press.
[3]: Benedict, R.P. (1969). Fundamentals of Temperature, Pressure and Flow Measurements. John Wiley & Sons. New York.
[4]: Boros, A. (1985). Electrical Measurements in Engineering. Akadémiai kiadó. Budapest.
[5]: Bos, M.G., J.A. Replogle i A.J. Clemmens. (1984). Flow Measuring Flumes for Open Channel Systems. John Wiley & Sons. New York.
[6]: Camnasio, E., E. Orsi. (2008). Experimenting with a new calibration method for current meters. 7th international conference on hydraulic efficiency measurements (IGHEM), Milano (http://www.ighem.org/IGHEM2008/home.html).
[7]: Chow, V.T. (1959). Open-channel Hydraulics. McGraw-Hill. Tokyo.
[8]: Drenthen, J.G. (1987). Accoustic Discharge Measuring Devices. Discharge and Velocity Measurement. Short course by IAHR Section on Hydraulics Instrumentation. Editor: A. Müler.
[9]: Durst, F. (1987). Discharge Measuring Methods in Pipes. Discharge and Velocity Measurement. Short course by IAHR Section on Hydraulics Instrumentation. Editor: A. Müler.
[10]: Eckelmann, H. (1987). Hot-film and Hot-wire Anemometers. Discharge and Velocity Measurement. Short course by IAHR Section on Hydraulics Instrumentation. Editor: A. Müler.
[11]: Endress, U. (1987). Vortex Shedding Flow Meters. Discharge and Velocity Measurement. Short course by IAHR Section on Hydraulics Instrumentation. Editor: A. Müler.
[12]: Fingerston, L.M. (1987). An Introduction to Laser Doppler Anemometry. Discharge and Velocity Measurement. Short course by IAHR Section on Hydraulics Instrumentation. Editor: A. Müler.
[13]: Gaji\'c, A., Lj. Krsmanovi\'c. (1994). Matematicka analiza i postupci eksperimentalnih istrazivanja. Masinski fakultet, Univerzitet u Beogradu.
[14]: Hayward, A.T.J. (1979). Flowmeters: A Basic Guide and Source-book for Users. Macmillan publishers Ltd, London.
[15]: Hajdin, G. (1977). Mehanika fluida - Knjiga prva: Osnove. Gradjevinski fakultet Beograd.
[16]: Henderson, F.M. (1966). Open Channel Flow. The Macmillan Company. New York.
[17]: Jovanovi\'c, S., O. Bonacci i M. Andjeli\'c. (1977). Hidrometrija. Gradjevinski fakultet Beograd.
[18]: Mass, H.G., A. Gruen i D. Papantoniou. (1992). Particle Tracking Velocimetry in Three Dimensional Turbulent Flows - Part I: Photogrammetric Determination of Particle Coordinates. Flow Visualization and Flow Structures. Short course by IAHR program of continuing education. Editor: A. Müler.
[19]: Maksimovi\'c, C., J. Despotovi\'c, P. Trisi\'c, M. Simi\'c. (1986). Accuracy and reliability of rainfall and runoff measurements - Examples. Urban Drainage Modelling - Supplements. Editori: C. Maksimovi\'c and M. Radojkovi\'c. Dubrovnik.
[20]: Maksimovi\'c, C. (1993). Merenja u hidrotehnici. Gradjevinski fakultet Beograd.
[21]: Malik, N.A., T. Dracos, D. Papantoniou i H.G. Maas. (1992). Particle Tracking Velocimetry in Three Dimensional Turbulent Flows - Part II: Particle Tracking and Lagrangian Trajectories. Flow Visualization and Flow Structures. Short course by IAHR program of continuing education. Editor: A. Müler.
[22]: Merzkirch, W. (1987). Methods of Flow Visualization. Discharge and Velocity Measurement. Short course by IAHR Section on Hydraulics Instrumentation. Editor: A. Müler.
[23]: Merzkirch, W. (1992). Methods of Flow Visualization. Flow Visualization and Flow Structures. Short course by IAHR program of continuing education. Editor: A. Müler.
[24]: Mettlen, D. (1987). Mass Flow Measurement. Discharge and Velocity Measurement. Short course by IAHR Section on Hydraulics Instrumentation. Editor: A. Müler.
[25]: Miller, R.W. (1983). Flow Measurement Engineering Handbook. McGraw-Hill. New York.
[26]: Müller, A. i H.G. Maas. (1992). Methods of Flow Visualization. Flow Visualization and Flow Structures. Short course by IAHR program of continuing education. Editor: A. Müler.
[27]: Nakayama, Y. i R.F. Boucher. (1999). Introduction to Fluid Mechanics. Arnold. London.
[28]: Plavsi\'c, J. (2007). Skripta za predmet Inzenjerska hidrologija. Gradjevinski fakultet Univerziteta u Beogradu.
[29]: Prodanovi\'c, D. (1985). Diplomski rad... Diplomski rad. Gradjevinski fakultet Univerziteta u Beogradu.
[30]: Prodanovi\'c, D., A. Spoljari\'c, M. Iveti\'c i C. Maksimovi\'c. (1985). Dynamic characteristics of a pressure measuring system. Symposium on Measuring Techniques in Hydraulic Research. Delft.
[31]: Prodanovi\'c, D. (1992). Eksperimentalno izucavanje uticaja dva tipa regulacionih zatvaraca na fluidnu struju. Magistarski rad. Gradjevinski fakultet Univerziteta u Beogradu.
[32]: Prodanovi\'c, D. (2007). Mehanika fluida za studente Gradevinskog fakulteta. Gradjevinski fakultet Univerziteta u Beogradu.
[33]: Patel, V.C. (1987). An Introduction to Measurement of Velocity. Discharge and Velocity Measurement. Short course by IAHR Section on Hydraulics Instrumentation. Editor: A. Müler.
[34]: Radojkovi\'c, M., D. Obradovi\'c i C. Maksimovi\'c. (1989). Primena racunara u komunalnoj hidrotehnici. Naucna knjiga. Beograd.
[35]: Rouse, H. i S. Ince. (1957). History of Hydraulics. Iowa Institute of Hydraulic Reserach. Iowa City.
[36]: Stankovi\'c, D. (1997). Fizicko tehnicka merenja: Senzori. Univerzitet u Beogradu.
[37]: Staubli, T. (1987). Propeller-type Current Meters. Discharge and Velocity Measurement. Short course by IAHR Section on Hydraulics Instrumentation. Editor: A. Müler.
[38]: Taylor, J.R. (1982). An Introduction to Error Analysis. Oxford University Press.
[39]: Utami, T. i T. Ueno. (1987). Experimental Study on the Coherent Structure of Turbulent Open-channel Flow Using Visualization and Picture Processing. Journal of Fluid Mechanics. Knjiga 174, strane 399-440.
[40]: Vojt, P. (2006). Pove\'canje tacnosti merenja nivoa vode kapacitivnom sondom sa primenom na hidraulickoj analizi vodostana sa prigusivacem. Diplomski rad. Gradjevinski fakultet Univerziteta u Beogradu.
[41]: Westerweel, J. (1992). Particle Image Velocimetry. Flow Visualization and Flow Structures. Short course by IAHR program of continuing education. Editor: A. Müler.
[42]: White, W.R. (1987). Discharge Measuring Methods in Open Channels. Discharge and Velocity Measurement. Short course by IAHR Section on Hydraulics Instrumentation. Editor: A. Müler.

File translated from T_EX by T_TH, version 3.85.
On 27 Feb 2012, 10:04.